電工電子學_13觸發(fā)器和時序邏輯電路

1、電工電子學1131 觸發(fā)器 在復雜的數(shù)字電路中，要連續(xù)進行各種復雜的運算和控制，就必須將曾經(jīng)輸入過的信號以及運算的結果暫時保存起來，以便與新的輸入信號進一步運算，共同確定電路新的輸出狀態(tài)。這就要求數(shù)字電路中必須包含具有記憶功能的電路單元，觸發(fā)器就是具有記憶功能的基本單元。 觸發(fā)器的功能特點為：有兩個互補的輸出端 ，具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)即0狀態(tài)和1狀態(tài)，能存儲一位二進制信息；如果外加輸入信號為有效電平，觸發(fā)器將發(fā)生狀態(tài)轉換，即可以從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到另一種穩(wěn)定狀態(tài)；當輸入信號有效電平消失后，觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，因此說觸發(fā)器具有記憶功能。2 觸發(fā)器的種類很多，通常按照兩個標準進行分類，一是從邏輯功能

2、上分類，有 觸發(fā)器、 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器和T 觸發(fā)器等；二是從結構上分類，有基本觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。3RSJK 13.1.1 基本 RS 觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器可以由兩個與非門組成，其邏輯電路和電路符號如圖13.1.1所示。它是各種觸發(fā)器電路結構形式中最簡單的一種，同時它又是組成其它類型觸發(fā)器的基礎。 （a）邏輯電路圖 （b）邏輯符號 圖13.1.1 由與非門組成的基本 觸發(fā)器4由基本 觸發(fā)器的電路可得 （13.1.1） （13.1.2）基本RS 觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.1所示。5QSQ QRQ 根據(jù)功能真值表可得基本 觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.3） 基本R

3、S觸發(fā)器的狀態(tài)也可用時序圖表示，下面通過一道例題說明波形圖的畫法。 【例13.1.1】 基本RS 觸發(fā)器輸入信號波形如圖13.1.2所示，畫出輸出 和 端的波形。 解：根據(jù)基本 觸發(fā)器的功能真值表，畫出如下波形圖。圖中陰影部分表示狀態(tài)不定。6QQ11nSRQRSQ 利用基本RS觸發(fā)器可以組成一些實際應用電路。如用基本RS 觸發(fā)器和與非門組成數(shù)碼寄存器。數(shù)碼寄存器是用來存放數(shù)碼的部件，觸發(fā)器是具有記憶功能的單元電路，可存儲一位二進制碼，若要存儲多位二進制碼，可用多個觸發(fā)器完成，由四個基本RS觸發(fā)器和與非門組成的四位二進制數(shù)碼寄存器如圖13.1.3所示。78 數(shù)字電路中的脈沖信號的產(chǎn)生通常是利用接

4、通機械開關產(chǎn)生的，由于機械開關觸點的金屬片有彈性，所以接通開關時觸點常發(fā)生抖動，使產(chǎn)生的電壓或電流波形產(chǎn)生毛刺，如圖13.1.4所示，影響脈沖信號的質量。在電子電路中，一般不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因為這種干擾信號會導致電路工作出錯。9利用基本RS觸發(fā)器消除機械開關振動影響的電路如圖13.1.5所示。10 11.1.2 鐘控觸發(fā)器 基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)無法從時間上加以控制，只要輸入端有觸發(fā)信號，觸發(fā)器就立即作相應的狀態(tài)變化。而在實際的數(shù)字系統(tǒng)中，往往是由多個觸發(fā)器組成，這時常常需要各個觸發(fā)器按一定的節(jié)拍同步工作，因此必須給電路加上一個統(tǒng)一的控制信號，用以協(xié)調各觸發(fā)器的同步翻轉，這個統(tǒng)一的控制信號叫做

5、時鐘脈沖CP。用CP作控制信號的觸發(fā)器稱為鐘控觸發(fā)器。111. 同步RS觸發(fā)器同步觸發(fā)器按邏輯功能可分為RS、JK、D、T觸發(fā)器等。同步 觸發(fā)器的邏輯電路和邏輯符號如圖13.1.6所示。12同步RS觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.2所示。根據(jù)功能真值表可得同步RS觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.4）1301nRSQRSQ2. 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器有主從RS觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器、主從T觸發(fā)器等。 主從JK觸發(fā)器的邏輯電路和邏輯符號如圖13.1.9所示。14主從JK觸發(fā)器具有保持功能、置0功能、置1功能和翻轉功能，JK觸發(fā)器功能齊全，故稱為全功能觸發(fā)器。主從JK觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.3

6、所示。根據(jù)功能真值表可得主從 觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.7）15QKQJQ1n3. 邊沿觸發(fā)器 主從觸發(fā)器雖然解決了觸發(fā)器的空翻現(xiàn)象，但存在一次變化現(xiàn)象，為提高觸發(fā)器的可靠性，增強抗干擾能力，引出了邊沿觸發(fā)器。邊沿觸發(fā)器是指只在CP脈沖上升沿或下降沿時刻，觸發(fā)器才依據(jù)該時刻的輸入決定其次態(tài)。而在CP=0和CP=1期間，輸入信號的任何變化都不會引起觸發(fā)器狀態(tài)的變化，從而大大提高了觸發(fā)器的抗干擾能力。16 邊沿觸發(fā)器的電路形式有多種，如維持阻塞型邊沿觸發(fā)器和利用傳輸延遲的邊沿觸發(fā)器，它們的邊沿觸發(fā)或控制的特點是相同的。 維持阻塞D觸發(fā)器的邏輯符號如圖13.1.11所示，功能真值表如表13.1

7、.4所示。 維持阻塞D觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.8）17DQ1nJK觸發(fā)器的特性方程為 T觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.9） 比較兩式可得 ，即把JK觸發(fā)器的J、K輸入端聯(lián)結并用T表示，則構成了T觸發(fā)器。轉換電路如圖13.1.15所示。 觸發(fā)器邏輯符號如圖13.1.16所示。18QKQJQ1nQTQTQ1nTKJ13. 2 時序邏輯電路 時序邏輯電路在任一時刻的輸出不僅取決于該時刻電路的輸入，而且還與電路原來狀態(tài)有關，可見時序邏輯電路具有記憶功能。按照時序邏輯電路中所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化是否同步，時序邏輯電路可分為同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路。若電路中所有觸發(fā)器的控制信號CP都是使

8、用的同一個時鐘脈沖，稱為同步時序邏輯電路；否則，稱為異步時序邏輯電路。1913.2.1 時序邏輯電路的分析時序邏輯電路分析步驟為u根據(jù)電路，寫出每個觸發(fā)器的驅動方程（即觸發(fā)器輸入端邏輯函數(shù)表達式）、電路的輸出方程、每個觸發(fā)器的時鐘方程（即CP脈沖邏輯函數(shù)表達式），如果是同步時序邏輯電路則可不寫時鐘方程。u將各觸發(fā)器的驅動方程代入相應觸發(fā)器的特性方程，得到各觸發(fā)器的狀態(tài)方程（即各觸發(fā)器次態(tài) 的邏輯函數(shù)表達式）。u根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程，列出邏輯狀態(tài)轉換真值表或畫出狀態(tài)轉換圖或畫出時序波形圖，以直觀地反映該時序邏輯電路的狀態(tài)變化規(guī)律。u若電路存在著無效狀態(tài)（即電路未使用的狀態(tài)），應檢查電路能否自啟

9、動。u文字敘述該時序邏輯電路的邏輯功能。201nQ13.2.2 寄存器 能夠暫時存放一組二進制數(shù)碼的時序邏輯電路稱為寄存器。寄存器是由觸發(fā)器和門電路組成的，一個觸發(fā)器就是一個能存放1位二進制數(shù)碼的寄存器，存放n位二進制數(shù)碼就需要n個觸發(fā)器，從而構成n位寄存器。寄存器按功能特點分為數(shù)碼寄存器（也稱基本寄存器）和移位寄存器。1. 數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器可以接收、暫存和傳遞數(shù)碼。它是在時鐘脈沖（接收脈沖） 作用下，將數(shù)據(jù)存入對應的觸發(fā)器。下面以4位集成數(shù)碼寄存器74LS175為例介紹。212. 移位寄存器 移位寄存器除具有寄存數(shù)碼的功能外還具有移位的功能。移位功能是指在移位脈沖作用下使寄存器所存放的數(shù)

10、碼向左或向右逐位移動。通過對數(shù)碼的移位，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行并行的相互轉換、數(shù)值的運算及數(shù)據(jù)處理等。22 13.2.3 計數(shù)器 數(shù)字電路中使用最多的時序邏輯電路就是計數(shù)器。計數(shù)器的應用十分廣泛，不僅能用于記錄時鐘脈沖的個數(shù)，還可用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等，并且利用計數(shù)器可以實現(xiàn)其它一些時序邏輯電路。 計數(shù)器種類很多，按計數(shù)脈沖輸入方式可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按計數(shù)的進制可分為二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器和任意進制計數(shù)器；按計數(shù)器中數(shù)值增減趨勢不同可分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。231. 二進制計數(shù)器 圖13.2.7是由三個JK觸發(fā)器組成的同步三位二進制加法計數(shù)器，輸出

11、C為進位信號。24 該計數(shù)器的狀態(tài)轉換表如表13.2.5所示。25該三位二進制加法計數(shù)器的時序波形圖如圖13.2.8所示。262. 十進制計數(shù)器 在十進制計數(shù)器中，廣泛采用的是用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)，即用四位二進制計數(shù)器構成一位十進制計數(shù)器，通常也稱這種計數(shù)器為二十進制計數(shù)器，其中使用最多的是8421BCD碼十進制計數(shù)器。與二進制計數(shù)器一樣，十進制計數(shù)器也分為同步十進制加法計數(shù)器、減法計數(shù)器、可逆計數(shù)器。273. 中規(guī)模集成計數(shù)器 中規(guī)模集成計數(shù)器種類較多、功能較完善并且可擴展。常用的集成計數(shù)器如四位二進制計數(shù)器74LS161、74LS163、74LS191、74LS193等，十進制計

12、數(shù)器74LS160、74LS162、74LS190、74LS192、74LS290等?，F(xiàn)以74LS161為例，介紹其功能特點及其應用。 74LS161為集成四位同步二進制加法計數(shù)器，其引腳圖和邏輯符號如圖13.2.12所示。2813.3 555集成定時器及其應用 13.3.1 555集成定時器 555集成定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成電路，該電路功能靈活，適用范圍廣。只要在外部配上少量的阻容元件，就可以很方便地構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等電路，在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等領域得到廣泛應用。 555定時器根據(jù)內部器件類型可分為雙極型和單極

13、型，均有單或雙定時器集成電路。雙極型型號為555（單）和556（雙），電源電壓使用范圍為515V，輸出電流可達200mA，可直接驅動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器、指示燈等；單極型型號為7555（單）和7556（雙），電源電壓使用范圍為318V，但輸出電流僅1mA。291. 電路結構302. 基本功能 表13.3.1所示是555定時器的功能表，它全面反映了555定時器的基本功能，該表是后面分析555定時器各種應用電路的重要理論依據(jù)。31 13.3.2 555集成定時器的應用1. 555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種常用的脈沖整形電路。與一般雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的不同點在于：它只有一個穩(wěn)態(tài)，另外有一個暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)是一種不能長久保持的狀態(tài)，這時電路的電壓和電流會隨著電容器的充電與放電發(fā)生變化，而穩(wěn)態(tài)時它們是不變的。 在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒有外加信號的觸發(fā)，電路始終處于穩(wěn)態(tài)；在外加觸發(fā)信號作用下，電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一段時間后，又能自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間的長短取決于電路自身參數(shù)，與外觸發(fā)信號無關。322. 555定時器構成多諧振蕩器多諧振蕩器又稱矩形波發(fā)生器，由于矩形波中除基波外，包含了許多高次諧波，因此這類振蕩器被稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是